Наука

Високотемпературні надпровідники для ядерного синтезу

Однією з головних проблем у виробництві енергії з допомогою ядерного синтезу стане досить сильне магнітне поле, яке необхідно, щоб утримувати гарячу плазму. Перед початком реакції плазма повинна мати дуже високу температуру – мільйони градусів. Отже, необхідні напруженість магнітного поля і магніти повинні бути дуже сильні.

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту у співпраці з компанією Commonwealth Fusion Systems запропонували спосіб подолати цю проблему за допомогою високотемпературного надпровідника (оксиду ітрію, барію та міді (YBCO)), який буде створювати магнітне поле. Було проведено цікаве і потенційно здатне змінити світ дослідження.Надпровідники, магнітні поля і критичні сили токаИз шкільної фізики, провід, по якому тече електричний струм, що створює магнітне поле.

Величина цього поля пропорційна силі струму. Таким чином, чим сильніший струм, тим вище магнітне поле. Щоб утримувати плазму при температурах, досить високих для того, щоб почався ядерний синтез, індукція магнітного поля повинна бути близько 10 Тл (для порівняння у звичайному холодильнику вона оцінюється значеннями порядку 10-2 Тл).

Надсильний струм можна отримати з допомогою надпровідників. Надпровідник – це матеріал, електричний опір якого падає до нуля, коли критична температура досягає певного значення. З-за нульового опору можна отримати високі стабільні струми, і, отже, аналогічні стабільні магнітні поля.

Значення критичної температури залежить від конкретного матеріалу. Дійсно, традиційно одним з найбільш важливих технологічних прикладів надпровідності є магнітні поля в магнітно-резонансної томографії.Однак виявляється, що надпровідник може залишатися надпровідним тільки до певної сили струму, який називається критичним.

Критичний струм зазвичай вище для надпровідників з більш високою критичною температурою.Високотемпературні сверхпроводникиВпервые надпровідність була виявлена у ртуті, охолодженою до температури близько 4 °До, в 1911 році. Через 70 років після цього відкриття було виявлено багато надпровідників з низькими критичними температурами (зазвичай менше 30 °До).

У той же період була розроблена дуже успішна теорія, щоб розуміти природу цих низькотемпературних надпровідників.Природа надпровідності (принаймні, в низькотемпературному «звичайному випадку») вважалася зрозумілою до 1986 року, коли надпровідність була виявлена в оксид лантану-барію та міді з критичною температурою 35 °К. З тих пір було відкрито чимало надпровідників на основі міді, у тому числі і YBCO з критичною температурою 90 °К.

Ці «високотемпературні» надпровідники мають унікальні властивості у порівнянні зі своїми звичайними аналогами не тільки із-за істотно більш високих температур переходу, але також з-за структурних характеристик (це вже не метали, а тендітна кераміка).Виходячи із загальноприйнятих принципів, ці матеріали не повинні бути надпровідними! На сьогоднішній день досі не існує повноцінної теорії, яка пояснює природу високотемпературних надпровідників.Високотемпературні надпровідники та термоядерні реакторыНесмотря на те, що досі ведуться численні дослідження того, як досягається надпровідність у цих матеріалах, ключовий практичний аспект полягає в тому, що вони мають високі критичні температури і, отже, зазвичай високі критичні струми.

Таким чином, з їх допомогою можна досягати більш сильних магнітних полів (при більш високих температурах у порівнянні з низькотемпературними надпровідниками), які необхідні, щоб утримувати плазму в термоядерних реакторах.Загальна проблема високотемпературних надпровідників з практичної точки зору пов’язана з їх тендітної природою: з ними важко поєднувати жорсткі дроти. Зображення плити YBCO показано на рис.

1.Рис. 1.

Плита з оксиду ітрію, барію та міді (YBCO) – високотемпературного надпровідника, який буде створювати магнітні поля в термоядерних реакторах. Джерело: Wikimedia Commons, Максим Биловицкий, CC BY-ЅАРис. 1.

Плита з оксиду ітрію, барію та міді (YBCO) – високотемпературного надпровідника, який буде створювати магнітні поля в термоядерних реакторах. Джерело: Wikimedia Commons, Максим Биловицкий, CC BY-ЅАВ реакторах Commonwealth будуть встановлені надпровідні «стрічки», зроблені з YBCO. По суті, вони являють собою дроти з YBCO, в яких надпровідний матеріал у вигляді порошку розміщений всередині металевої трубки.

Ці стрічки можна намотати на тороїдальні соленоїди, щоб генерувати магнітне поле з індукцією до приблизно 9,2 Тл.ЗаключениеЗаявленная мета Commonwealth – створити відносно дешевий і компактний термоядерний реактор. Це, звичайно, захоплююче підприємство з енергетичної точки зору.

За останніми даними, новий високотемпературний надпровідник нещодавно досяг промислової зрілості: оксид рідкоземельного барію та міді (REBCO). Починаючи з 2021 року, Commonwealth Fusion System почне демонструвати пристрій термоядерного синтезу. А до 2025 року проект перейде в комерційну стадію.
Портал про енергетику, природних ресурсах та інженерних системах TEPLOKARTA.RU

Related posts

Leave a Comment